深入理解switch/case语句

### 深入理解 switch/case 语句 #### 1. switch/case 语句简介 在高级编程语言（HLL）中，`switch/case` 语句是一种条件语句。与 `if` 语句不同，`if` 语句测试布尔表达式，并根据表达式的结果执行代码中的两条不同路径之一；而 `switch/case` 语句可以根据序数（整数）表达式的结果分支到代码中的几个不同点。 以下是不同语言中 `switch/case` 语句的示例： - **C/C++ 中的 `switch` 语句** ```c switch( expression ) { case 0: << statements to execute if the expression evaluates to zero >> break; case 1: << statements to execute if the expression evaluates to one >> break; case 2: << statements to execute if the expression evaluates to two >> break; <<etc>> default: << statements to execute if the expression is not equal to any of these cases >> } ``` - **Pascal 中的 `case` 语句** ```pascal case ( expression ) of 0: begin << statements to execute if the expression evaluates to zero >> end; 1: begin << statements to execute if the expression evaluates to one >> end; 2: begin << statements to execute if the expression evaluates to two >> end; <<etc>> end; (* case *) ``` - **HLA 中的 `switch` 语句** ```hla switch( REG32 ) case( 0 ) << statements to execute if EAX contains zero >> case( 1 ) << statements to execute REG32 contains one >> case( 2 ) << statements to execute if REG32 contains two >> <<etc>> default << statements to execute if REG32 is not equal to any of these cases >> endswitch; ``` 从这些示例可以看出，这些语句都有相似的语法。 #### 2. switch/case 语句的语义 在大多数编程入门课程和教科书中，通常通过将 `switch/case` 语句与 `if..else..if` 语句链进行比较来讲解其语义。例如，下面的 Pascal 代码被认为与前面的 `case` 语句等效： ```pascal if( expression = 0 ) then begin << statements to execute if expression is zero >> end else if( expression = 1 ) then begin << statements to execute if expression is one >> end else if( expression = 2 ) then begin << statements to execute if expression is two >> end; ``` 虽然这个特定的序列会达到与 `case` 语句相同的结果，但 `if..then..elseif` 序列和 `case` 实现之间存在几个根本区别： - **常量限制**：`case` 语句中的 `case` 标签必须都是常量，而在 `if..then..elseif` 链中，可以将变量和其他非常量值与控制变量进行比较。 - **单一表达式比较**：`switch/case` 语句只能将单个表达式的值与一组常量进行比较，不能像 `if..then..elseif` 链那样，对一个 `case` 比较一个表达式与一个常量，对另一个 `case` 比较另一个表达式与第二个常量。 #### 3. 跳转表与链式比较 虽然 `switch/case` 语句比 `if..then..elseif` 链更具可读性和便利性，但它最初被添加到高级语言中是为了提高效率。 考虑一个有十个不同表达式要测试的 `if..then..elseif` 链，如果所有情况都是互斥且等可能的，那么平均来说，程序在遇到一个求值为 `True` 的表达式之前将执行五次比较。 而在汇编语言中，可以通过使用表查找和间接跳转，在固定的时间内将控制转移到几个不同的位置，而与情况的数量无关。以下是一个简单的汇编语言实现 `switch/case` 语句的示例： ```asm // Conversion of // switch(i) // { case 0:...case 1:...case 2:...case 3:...} // into assembly static jmpTable: dword[4] := { &label0, &label1, &label2, &label3 }; . . . // jmps to address specified by jmpTable[i] mov( i, eax ); jmp( jmpTable[ eax*4 ] ); label0: << code to execute if i = 0 >> jmp switchDone; label1: << code to execute if i = 1 >> jmp switchDone; label2: << code to execute if i = 2 >> jmp switchDone; label3: << code to execute if i = 3 >> switchDone: << Code that follows the switch statement >> ``` 这个代码的执行过程如下： 1. `jmpTable` 声明定义了一个包含四个双字指针的数组，每个指针对应 `switch` 语句模拟中的一个 `case`。 2. 第一条机器指令将 `switch` 表达式（变量 `i` 的值）加载到 `EAX` 寄存器中。 3. 下一条 `jmp` 指令跳转到 `jmpTable` 数组中由 `EAX` 索引的条目中指定的地址。 与 `if..then..elseif` 实现相比，这种跳转表实现有以下优点和缺点： | 比较项 | 跳转表实现 | if..then..elseif 实现 | | ---- | ---- | ---- | | 执行时间 | 当情况较多时，执行时间固定，与情况数量无关 | 随着情况数量增加，执行时间逐渐变长 | | 内存使用 | 可能需要大量内存，尤其是情况值分散时 | 相对较少 |